Основы проектирования и моделирования рабочих процессов однопролетных мобильных канатных дорог на базе самоходных транспортно-перегрузочных канатных комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Таричко Вадим Игоревич

• Таричко Вадим Игоревич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Таричко Вадим Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

И МОДЕЛИРОВАНИЮ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВЕСНЫХ КАНАТНЫХ ДОРОГ

1.1 Место канатного транспорта в системе современных транспортно-логистических технологий

1.2 Анализ современных отечественных и зарубежных конструкций подвесных канатных дорог

1.3 Современные подходы к проектированию и моделированию рабочих процессов, протекающих при эксплуатации основного технологического оборудования подвесных канатных дорог

1.4 Выводы по разделу

2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОПРОЛЕТНЫХ МОБИЛЬНЫХ КАНАТНЫХ ДОРОГ МАЯТНИКОВОГО ТИПА НА БАЗЕ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

2.1 Варианты конструктивного исполнения однопролетных мобильных канатных дорог маятникового типа на базе мобильных

транспортно- перегрузочных канатных комплексов

2.2 Структурно-функциональная схема и принцип работы однопролетных мобильных канатных дорог маятникового типа на базе мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

2.3 Комплексная математическая модель однопролетной мобильной канатной дороги на базе мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

2.4 Выводы по разделу

3 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОДНОПРОЛЕТНЫХ МОБИЛЬНЫХ КАНАТНЫХ ДОРОГ МАЯТНИКОВОГО ТИПА НА БАЗЕ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

3.1 Пространственная конфигурация несуще-тяговой канатной системы однопролетной мобильной канатной дороги

3.2 Тяговый расчет канатной системы однопролетной одноканатной мобильной канатной дороги маятникового типа

3.2.1 Расчетная оценка составляющих силы сопротивления движению канатного тягового органа

3.2.2 Построение диаграммы натяжения несущих канатов

3.2.3 Особенности проведения тягового расчета при проектном и проверочном расчетах мобильной канатной дороги

3.3 Влияние основных технических характеристик мобильных канатных дорог на качественные и количественные характеристики диаграмм натяжения несуще-тяговых канатов

3.4 Анализ функциональных возможностей мобильных канатных дорог

на базе мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

3.5 Влияние основных параметров мобильных канатных дорог и мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

на характеристики области их возможного использования

3.6 Предельные размеры области возможного использования мобильных канатных дорог

3.7 Производительность мобильной канатной дороги

3.8 Выводы по разделу

4 ВАРИАНТЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

4.1 Конструкция базовых колесных шасси мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

4.2 Варианты компоновки основного технологического оборудования на базовых шасси мобильных транспортно-перегрузочных

канатных комплексов

4.3 Конструкция и принцип работы мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов при различной компоновке основного технологического оборудования

4.3.1 Конструкция и принцип работы мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов с центральным

и концевым расположением концевой опоры

4.3.1.1 Гидравлическая фиксация концевой опоры в рабочем положении

4.3.1.2 Канатная фиксация концевой опоры в рабочем положении

4.3.1.3 Комбинированная канатно-гидравлическая фиксация концевой опоры в рабочем положении

4.3.2 Конструкция и принцип работы мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

с выносным расположением концевой опоры

4.3.3 Конструкция и принцип работы мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов при установке концевой опоры с помощью складывающейся штанги и ее штанговой фиксации

в рабочем положении

4.3.4 Конструкция и принцип работы мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов при установке концевой опоры с помощью складывающейся штанги, вспомогательного и основного подъемных гидроцилиндров

4.4 Быстроразъемное устройство для соединения канатов мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов маятникового типа

4.5 Выводы по разделу

5 КОМПОНОВКА ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

5.1 Основные характеристики кинематических схем механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении

5.2 Предварительная компоновка основного технологического оборудования на базовом шасси с учетом габаритных ограничений транспортного положения

5.2.1 Предварительная компоновка основного технологического оборудования при центральном и концевом расположении концевой опоры и ее установке в рабочее положение подъемным гидроцилиндром

5.2.2 Предварительная компоновка основного технологического оборудования при выносном расположении концевой опоры и ее установке

в рабочее положение подъемным гидроцилиндром

5.2.3 Предварительная компоновка основного технологического оборудования при установке концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся штанги

5.3 Компоновка основного технологического оборудования на базовом шасси

5.3.1 Компоновка основного технологического оборудования при установке концевой опоры в рабочее положение непосредственно подъемным гидроцилиндром

5.3.2 Компоновка основного технологического оборудования при установке концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся штанги

5.3.3 Компоновка основного технологического оборудования

при двухэтапной установке концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся штанги, вспомогательного и основного подъемных гидроцилиндров

5.4 Выводы по разделу

6 СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

6.1 Силовой расчет основного технологического оборудования на этапе установки концевой опоры в рабочее положение

6.1.1 Силовой расчет основного технологического оборудования

при центральном и концевом расположении концевой опоры при установке концевой опоры подъемным гидроцилиндром

6.1.2 Силовой расчет основного технологического оборудования

при выносном расположении концевой опоры при установке концевой опоры подъемным гидроцилиндром

6.1.3 Силовой расчет основного технологического оборудования

при установке концевой опоры с помощью складывающейся штанги

6.1.4 Силовой расчет основного технологического оборудования при двухэтапной установке концевой опоры с помощью складывающейся штанги, вспомогательного и основного подъемных гидроцилиндров

6.2 Силовой расчет основного технологического оборудования на этапе эксплуатации мобильного транспортно-перегрузочного канатного комплекса

6.2.1 Силовой расчет основного технологического оборудования

при гидравлической фиксации концевой опоры в рабочем положении

6.2.2 Силовой расчет основного технологического оборудования

при канатной фиксации концевой опоры в рабочем положении

6.2.3 Силовой расчет основного технологического оборудования

при канатно-гидравлической фиксации концевой опоры в рабочем положении

6.2.4 Силовой расчет основного технологического оборудования

при штанговой фиксации концевой опоры в рабочем положении

6.3 Выводы по разделу

7 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

7.1 Моделирование динамики и прочности колесных базовых шасси мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

7.1.1 Конструкции и расчетно-экспериментальные исследования динамики трансмиссии привода исполнительных механизмов основного технологического оборудования мобильной канатной дороги

7.1.2 Имитационное моделирование режимов движения самоходного базового колесного шасси

7.1.3 Моделирование нагруженности несущей рамы базового колесного шасси

7.1.4 Моделирование нагруженности полуприцепа для размещения мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

7.2 Моделирование гидродинамических процессов в гидросистемах с частотно-дроссельным регулированием мобильных

транспортно-перегрузочных канатных комплексов

7.2.1 Моделирование режимов работы гидроприводов

с частотно-дроссельным регулированием при параллельной установке гидромотора и дросселя

7.2.2 Моделирование режимов работы гидроприводов

с частотно-дроссельным регулированием при последовательной установке гидромотора и дросселей

7.3 Выводы по разделу

8 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРАТЕГИЙ РЕМОНТА И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

8.1 Прогнозирование кинетики количественных показателей надежности основного технологического оборудования при эксплуатации мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

8.2 Формирование эффективных стратегий технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов основного технологического оборудования мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

8.3 Расчетная оценка и обеспечение общей устойчивости против опрокидывания мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексов

8.4 Анализ аварийных ситуаций при эксплуатации несуще-тяговой канатной системы с помощью цифрового двойника

8.5 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы проектирования и моделирования рабочих процессов однопролетных мобильных канатных дорог на базе самоходных транспортно-перегрузочных канатных комплексов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современных условиях достаточно часто возникает необходимость оперативного проведения различных транспортно-логистических мероприятий в течение относительно небольшого временного интервала, к которым предъявляются жесткие требования по срокам начала их реализации, в сложных природно-социальных условиях - на труднодоступных или экологически уязвимых территориях (в частности, в условиях Арктики), при отсутствии необходимой транспортной инфраструктуры, неблагоприятном природном рельефе (горные, холмистые, лесные, заболоченные, речные местности), в зонах разрушений при природных или техногенных авариях, во время военных конфликтов и др. Перспективным направлением эффективного решения указанной проблемы может являться создание быстро развертываемых подвесных однопролет-ных мобильных канатных дорог (МКД), мобильность которых обеспечивается размещением необходимого технологического канатного оборудования на автономных самоходных специальных многоосных базовых колесных или гусеничных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности - мобильных транспортно-перегрузочных канатных комплексах (МТПКК).

Хотя опыт использования транспортных канатных технологий имеет многовековую историю, в последние десятилетия наблюдается рост интереса к этому виду транспорта. Это напрямую связано с развитием в современном мире таких глобальных процессов, как повышение значимости экологических требований при оценке качества функционирования промышленных и социальных объектов или охраняемых природных экосистем, реализация концепции «Умный город», переход к технологиям Индустрии 4.0, направленным на автоматизацию работы предприятий с использованием современных информационных технологий, применительно к сфере транспорта.

Однако в настоящее время как в России, так и за рубежом отсутствуют мобильные машины и оборудование с целью практической реализации канатных технологий с надземным перемещением транспортируемых грузов или пассажиров для решения транспортно-логистических проблем на труднодоступных территориях со сложным рельефом.

В качестве конструктивно-функционального аналога МКД следует рассматривать подвесные стационарные канатные дороги (СКД), конструкции и методы проектирования которых разработаны в достаточной степени. Однако имеющийся опыт конструирования, проектирования и эксплуатации, накопленный к настоящему времени применительно к СКД, нельзя в полной мере использовать для создания МКД на базе МТПКК. Основная причина заключается в том, что существующие подходы, расчетные методы и рекомендации не могут сформировать научную базу для создания перспективных МКД и МТПКК вследствие существенных принципиальных различий в конструкции основного технологического оборудования (ОТО), условиях и режимах эксплуатации, принципах интеллектуального управления, учета влияния базового колесного или гусеничного шасси, процессов его взаимодействия с деформируемым опорным основанием и др.

Для успешного создания современных и конкурентоспособных на мировом рынке образцов технологического оборудования для МКД на базе МТПКК, обладающих высокими техническими, экономическими и экологическими характеристиками, требуется создание научно обоснованной теории данного вида транспорта и разработанных на ее основе перспективных конкурентоспособных конструкций машин и оборудования отечественного производства. Таким образом, тема диссертационного исследования является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Научным вопросам проектирования, моделирования рабочих процессов, технического обслуживания и анализа безопасной эксплуатации подвесных грузовых и пассажирских канатных дорог, имеющих стационарное размещение, посвящены исследования отечественных ученых Е.В. Громова, А.И. Дукельского, А.Н. Земскова, Б.Ф. Иванова, А.А. Короткого, А.В. Лагерева, И.А. Лагерева, В.Б. Маслова, Б.Ч. Месхи,

А.В. Панфилова, E3. Сорокиной, К.К. Шестопалова, М.Н. Хальфина, а также ряда зарубежных исследователей A. Arena, R. Hoffman, E. Hristovska, M. Lohr, R.M. Martinod, E.S. Neumann, R. Petrova, G. Piskoty, J. Qin, M. Reichenbach, S. Tezak, H. Thaler, V. Vuchic, D. Wang, M. Wenin и др.

Вопросы создания научно обоснованных методов проектирования, моделирования рабочих процессов и эксплуатации технологического оборудования МКД, предназначенных для их оперативного монтажа и демонтажа, а также использования в течение относительно короткого времени, освещены в научно-технической литературе в значительно меньшей степени. Исследованию этих вопросов посвящены, в частности, работы А.А. Короткого, А.В. Лагерева, И.А. Лагерева, Ф.В. Свойкина, П.И. Шалупины, а также P. Beno, F. Holzleitner, D. Lates, R. Spinelli и др.

Объектом исследования являются мобильные канатные транспортно-пере-грузочные комплексы для формирования однопролетных мобильных грузовых и пассажирских надземных канатных дорог маятникового типа.

Целью исследования является создание научных основ проектирования и моделирования рабочих процессов МТПКК на базе автономных самоходных колесных шасси высокой проходимости и грузоподъемности, обеспечивающих оперативное развертывание в экстремальных условиях и на неподготовленной местности однопролетных одноканатных надземных МКД маятникового типа.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели должны быть решены следующие задачи:

- разработать принципы формирования однопролетных одноканатных МКД маятникового типа на основе сопряженных единой несуще-тяговой канатной системой (НТКС) автономных МТПКК (базовых станций) на самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности;

- разработать перспективные варианты конструктивного исполнения автономных МТПКК на самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности отечественного производства, а также разработать их классификацию с учетом определяющих конструктивных признаков;

- разработать комплексную математическую модель однопролетной МКД маятникового типа в виде шестикомпонентной системы «НТКС - ОТО МТПКК -базовое шасси - система управления - опорное основание - окружающая среда», в состав которой необходимо включить подмодели основных систем и уравнения связи, позволяющие учесть различные варианты конструктивного исполнения и функционального назначения однопролетной МКД на базе МТПКК. Комплексная математическая модель должна обеспечивать рациональную компоновку, проведение кинематического и силового анализа ОТО МТПКК, оценку параметров нагру-женности и надежности ОТО МТПКК и НТКС, на основе которых можно оценить кинематику, динамику, прочность, надежность и другие эксплуатационные свойства МКД с целью создания конкурентоспособных конструкций, в том числе, путем оптимального проектирования;

- выявить и научно обосновать функциональные возможности однопролет-ных одноканатных МКД маятникового типа на базе МТПКК, выполнить анализ грузо-пространственных характеристик МКД и установить их взаимосвязь с ключевыми количественными параметрами конструкции, условий и режимов эксплуатации;

- на основе комплексной математической модели разработать методы анализа рабочих процессов, протекающих в несущих металлоконструкциях ОТО МТПКК, гидроприводах механизмов движения МТПКК и в элементах НТКС, а также алгоритмы автоматизированного проектирования, которые могут быть реализованы в составе программных пакетов инженерного анализа для расчета разработанных перспективных вариантов конструктивного исполнения МТПКК путем цифровизации проектных процедур;

- установить особенности применения комплексной математической модели и методов расчета для исследования рабочих процессов, протекающих на стадиях развертывания и штатной работы МКД в несущих металлоконструкциях ОТО, гидроприводах механизмов движения и в элементах НТКС применительно к разработанным вариантам конструктивного исполнения МТПКК;

- разработать вероятностные математические модели и методики анализа и нормирования надежности ОТО отдельных МТПКК, НТКС и МКД в целом, включая прогнозирование кинетики количественных показателей надежности и формирование оптимальных стратегий планово-предупредительных ремонтов и технических обслуживаний МТПКК с целью минимизации технико-экономических затрат при эксплуатации МКД;

- разработать и научно обосновать технические решения по оптимальному или рациональному выбору базовых характеристик и параметров конструкции ОТО МТПКК, повышению его надежности (безотказности и долговечности) и общей устойчивости против опрокидывания в условиях действия эксплуатационных нагрузок.

Научная новизна работы заключается в дальнейшем развитии элементов теории моделирования и практики проектирования подвесных канатных дорог и создании основ специализированной теории моделирования, практики проектирования и анализа рабочих процессов однопролетных МКД маятникового типа на базе МТПКК на специальных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности, базирующейся на комплексной математической модели однопролетной МКД в виде шестикомпонентной системы «НТКС - ОТО МТПКК - базовое шасси - система управления - опорное основание - окружающая среда» и позволяющей системно и эффективно решать важную научно-техническую проблему создания конкурентоспособных многоцелевых мобильных канатных систем нового поколения. Научная новизна получена за счет того, что:

- сформулированы общие принципы формирования МТПКК как интегрированной подсистемы в составе однопролетной МКД, функционирование которой происходит в комплексном взаимодействии с другими значащими подсистемами (НТКС, базовым шасси, опорным основанием, окружающей средой), характеризующимся развитой совокупностью обратных связей между подсистемами;

- разработаны математические модели, устанавливающие взаимосвязь ключевых параметров конструкции, условий и режимов эксплуатации МТПКК с грузо-

пространственными характеристиками однопролетных МКД маятникового типа, что позволило выявить и научно обосновать их функциональные возможности;

- разработана с единых методологических позиций комплексная математическая модель однопролетной МКД маятникового типа, в основе которой лежит учет взаимовлияния ее структурно-функциональных подсистем на протекающие в них рабочие процессы и ряд частных математических моделей, включая модели НТКС, модели ОТО МТПКК, модели гидроприводов механизмов МТПКК, модели несущей конструкции, двигателя и трансмиссии базового шасси, модели факторов воздействия окружающей среды;

- разработан комплекс математических моделей, который можно рассматривать в качестве научно обоснованных основ конструирования, проектирования, моделирования рабочих процессов и обеспечения безопасности и экономичности эксплуатации МТПКК в составе однопролетных грузовых и пассажирских МКД маятникового типа, в том числе, пространственную и тяговую модели НТКС, компоновочные, кинематические и силовые модели ОТО разработанных вариантов конструктивного исполнения МТПКК, гидродинамические и структурную модели гидроприводов с частотно-дроссельным регулированием механизмов движения ОТО, динамические и прочностные модели колесных базовых шасси МТПКК, модели вероятностного прогнозирования кинетики количественных показателей надежности и безопасности эксплуатации МКД, формирования оптимальных стратегий планово-предупредительных ремонтов и технических обслуживаний МКД;

- разработан ряд оптимизационных математических моделей для автоматизированного проектирования ОТО МТПКК с целью комплексного обеспечения возможно высоких значений значимых показателей его качества, включая массо-габаритные характеристики размещения элементов ОТО на несущей раме базового шасси, массогабаритные и энергетические характеристики гидроприводов механизмов движения МТПКК;

- созданы научные основы конструкторско-технологических и эксплуатационных мероприятий повышения показателей надежности, безопасности и экономичности эксплуатации однопролетных МКД маятникового типа на базе МТПКК,

позволяющих минимизировать технико-экономические затраты на эксплуатацию МКД в течение всего срока службы.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

- сформулированы и обоснованы общие методологические принципы формирования многоцелевых однопролетных МКД маятникового типа на базе МТПКК на специальных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности;

- построена комплексная математическая модель в виде шестикомпонентной системы «НТКС - ОТО МТПКК - базовое шасси - система управления - опорное основание - окружающая среда»;

- сформулированы и обоснованы потенциальные грузо-пространственные и тактико-технические возможности однопролетных МКД маятникового типа, которые могут быть достигнуты созданием МТПКК на специальных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности;

- установлены и исследованы закономерности формирования оптимальной компоновки ОТО на несущей раме многоосного базового шасси с учетом нормативных габаритных ограничений на транспортные средства, получены зависимости для анализа указанных закономерностей и проектные рекомендации;

- разработаны математические модели для кинематического и силового анализа механизмов движения ОТО, установлены и исследованы закономерности изменения количественных характеристик кинематики, динамики и нагруженности их конструктивных элементов в процессе развертывания и эксплуатации МКД;

- разработаны математические модели, установлены и исследованы закономерности формирования нагруженности базового шасси и ОТО МТПКК на всех стадиях развертывания и эксплуатации МКД;

- разработаны математические модели, установлены и исследованы закономерности формирования и изменения во времени гидродинамических процессов в гидроприводах механизмов движения ОТО МТПКК при эксплуатации МКД;

- исследован механизм повышения общей устойчивости МТПКК, оснащенных аутригерами с анкерными устройствами, при их работе на слабых грунтах и не

строго горизонтальных поверхностях в условиях значительных, близких к горизонтальным нагрузок от НТКС.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- разработана общая структурно-функциональная схема однопролетных од-ноканатных МКД маятникового типа на базе МТПКК;

- разработан и защищен патентами Российской Федерации ряд перспективных вариантов конструктивного исполнения МТПКК на специальных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности, не имеющих мировых аналогов;

- разработана классификация МТПКК с учетом определяющих конструктивных признаков, позволяющая создавать различные варианты конструктивного исполнения МТПКК с учетом конкретных требований технического задания;

- разработаны рекомендации для оценки условий возможного использования однопролетных МКД маятникового типа в зависимости от требуемой грузоподъемности, дальности и высотного перемещения транспортируемых грузов;

- созданы и апробированы на основе разработанных комплексной математической модели однопролетной МКД маятникового типа и частных математических моделей подсистем методики компьютерного моделирования, анализа, оптимального проектирования и технического обслуживания, охватывающие широкий круг инженерных задач, связанных с проектированием и эксплуатацией конкурентоспособных образцов МТПКК различного конструктивного исполнения, не имеющих мировых аналогов;

- разработаны методики проектирования, моделирования рабочих процессов и формирования стратегий планово-предупредительных ремонтов МТПКК, а также реализующие их и защищенные путем государственной регистрации в Роспатенте Российской Федерации вычислительные компьютерные программы, обеспечивающие автоматизацию и цифровизацию проектирования, включая оптимизацию проектных решений;

- разработана методика имитационного моделирования режимов автономного движения колесного базового шасси МТПКК;

- разработана методика натурных экспериментальных исследований динамики трансмиссии базового шасси.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе положений и методов теории упругости, теоретической механики, геомеханики, гидравлики, теории вероятностей и случайных процессов, методов матричной алгебры, аналитической геометрии, численного анализа, конечных элементов, компьютерного математического и имитационного моделирования, оптимального проектирования.

Положения, выносимые на защиту:

- общие методологические принципы формирования многоцелевых одно-пролетных МКД маятникового типа на базе МТПКК на специальных многоосных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности в рамках комплексной математической модели однопролетной МКД в виде шести-компонентной системы «НТКС - ОТО МТПКК - базовое шасси - система управления - опорное основание - окружающая среда»;

- общая структурно-функциональная схема и варианты конструктивного исполнения МТПКК на специальных самоходных колесных шасси повышенной проходимости и грузоподъемности;

- математические модели и рекомендации, определяющие функциональные возможности одноканатных МКД маятникового типа на базе МТПКК на многоосных самоходных колесных шасси;

- математические модели подсистем комплексной математической модели однопролетной МКД маятникового типа, описывающие кинематическое и динамическое взаимодействие НТКС, ОТО МТПКК, базового шасси, опорного основания и окружающей среды с учетом совокупности обратных связей между ними;

- математические модели и расчетные методы тягового расчета НТКС, а также компоновки, кинематического и силового анализа ОТО разработанных вариантов конструктивного исполнения МТПКК;

- математические модели и методы проектирования и моделирования гидродинамических процессов в гидросистемах с частотно-дроссельным регулированием МТПКК;

- математические модели и методы моделирования динамики и прочности самоходных колесных базовых шасси МТПКК на этапах их автономного движения и эксплуатации;

- математические модели и методы прогнозирования надежности и безопасности эксплуатации МКД, формирования оптимальных стратегий планово-предупредительных ремонтов и технических обслуживаний МКД на основе вероятностного прогнозирования кинетики количественных показателей надежности в течение всего срока эксплуатации;

- научно обоснованные технические решения и рекомендации по конструированию, проектированию и оптимизации разработанных вариантов конструктивного исполнения МТПКК.

Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается корректным использованием методов научного исследования, результатами проведенных натурных экспериментов, использованием результатов работы в практике проектирования профильных научных и производственных хозяйствующих субъектов.

Апробация результатов работы. Результаты исследований были представлены на X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2013 г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (г. Могилёв, Республика Беларусь, Белорусско-Российский университет, 2019 г.); Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (г. Могилёв, Республика Беларусь, Белорусско-Российский университет, 2020 г.); Международных научно-технических конференциях «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях» (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2019, 2020 и 2022 г.г.); 24-й Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов,

магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 г.); XV Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, ПГТУ, 2020 г.); Международной научно-технической конференции «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства» (г. Тюмень, ТИУ, 2020 г.); VI Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг: ICIE-2020» (г. Челябинск, 2020); VII и VIII Международных научно-практических конференциях «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2020, IPDME-2021» (г. Санкт-Петербург, СПбГГУ, 2020 и 2021 г.г.); Международной научно-практической конференции «International Transport Scientific Innovation: ITSI-2021» (г. Москва, МИИТ, 2021 г.); XXVI Международной научно-технической конференции "ИНТЕРСТР0ЙМЕХ-2022" (г. Ярославль, ЯГТУ, 2022 г.); 1 International Marmara scientific research and innovation Congress (Istanbul, Turkey, 2021); 9 International Zeugma conference on scientific research (Gaziantep, Türkiye, 2023); Национальной научно-практической конференции с международным участием «Университет на пути к новому качеству науки и образования» (г. Брянск, БГУ, 2020 г.); XII и XIII Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 и 2020 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие техники и технологий наземного транспорта» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2019 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационное развитие подъемно-транспортной техники» (г. Брянск, БГТУ, 2019 и 2020 г.г.). Всего было принято участие в 21 научной конференции различного уровня.

Реализация результатов работы. Разработанные перспективные конструкции МТПКК, математические модели рабочих процессов, расчетные методики и комплекс компьютерных программ были использованы АО Северо-Западный региональный центр Концерна воздушно-космической обороны «Алмаз-Антей» -

Обуховский завод» (г. Санкт-Петербург) при разработке проекта тактико-технического задания на опытно-конструкторскую работу «Разработка мобильных транс-портно-перегрузочных канатных комплексов»; АО «Брянский автомобильный завод» (г. Брянск) при разработке и изготовлении подъемно-мачтовых устройств машин ОАМ-32, трансмиссии стартового пожарно-спасательного автомобиля БАЗ-8080 и полуприцепа-шасси БАЗ-9828; ФГБУ «ЦНИИ инженерных войск» при оценке модернизационного потенциала переносных горных дорог ГЛКД-100 и ГЛКД-1000; АО «Специальное конструкторское бюро машиностроения» (г. Курган) по созданию гидромеханической коробки передач 667-000-сб1; АО «Конструкторское бюро специального машиностроения» (г. Санкт-Петербург) при создании электрогидравлической системы управления мобильной антенной опоры; ПАО «Тутаевский моторный завод» (г. Тутаев) по созданию дизельного двигателя 854.10-01 мощностью 600 л.с.; АО «Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» (г. Таганрог) при создании встраиваемых комплексов бортового оборудования и информационно-управляющих систем мобильных транспортно-техно-логических машин нового поколения; Инжиниринговым научно-образовательным центром цифровых технологий Индустрии 4.0 при ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского» (г. Брянск) при разработке цифровых двойников транспортных систем и в учебном процессе.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложений. Объем работы с приложениями составляет 435 с. Диссертация содержит 210 рисунков, 28 таблиц, 3 приложения, 296 источников.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И МОДЕЛИРОВАНИЮ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ПОДВЕСНЫХ КАНАТНЫХ ДОРОГ

Канатные транспортные системы в виде стационарных подвесных канатных дорог сначала для транспортировки грузов, а затем и для перевозки пассажиров имеют многовековой опыт эксплуатации [42, 227, 273]. По мнению [227] историю канатной дороги (КД) следует разделить на два периода: с древнего времени до 1834 г. и после 1834 г.

Принцип работы канатной транспортной системы был известен еще в древние времена. Один из наиболее ранних сохранившихся документов, датируемый 250 г. до н.э., рассказывает об использовании КД в Южном Китае для пассажирских и грузовых перевозок [222]. Начиная с XV в. КД достаточно часто упоминаются в литературных источниках того времени. Например, в [89, 272, 273] представлены конструкции одно- и двухкабельных однопролетных КД, которые использовались для транспортных операций как с гражданскими, так и с военными грузами в Венеции, Праге, Гданьске и др. Эти КД можно условно назвать «мобильными», так как использовались на одном месте непродолжительное время, демонтировались и перемещались по мере необходимости. Грузоподъемность и длина КД того времени были весьма ограничены, так как в качестве несуще-тягового элемента использовались веревочные канаты из скрученных веревок растительного происхождения [273] и ручной или животный привод.

Современный облик канатный транспорт начинает приобретать с 1834 года, когда немецкий горный инженер Альберт предложил инновационную для того времени конструкцию стального каната, сплетенного из нескольких прядей, в свою очередь состоящих из нескольких сплетенных между собой проволок, и имеющего органический сердечник [227, 289]. С этого момента началось бурное развитие производство стальных грузонесущих канатов для различных отраслей промышленности, в первую очередь, горнорудной и металлургической [273, 289]. Соединение

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Таричко Вадим Игоревич, 2024 год

// // / /

- А/ = 0,0 м —- А Л ..

Л V _ - -и,ч- м - -0,8 м

/ >

1с1 ип )

«0 АО__ У,- 9 11°

1 3 — 17°—^

/

/п VI 1Ш

12 3 4 Размер 1сГ>, м

5 1 2 3 4 Размер 1,.г>, м

а - влияние угла уш ; б - влияние разности размеров А/ ; в - влияние угла уй Рисунок 5.15 - Влияние размеров кинематической схемы МТПКК варианта В

на размер /сВ

5 1 2 3 4 Размер 1с[), м

Уменьшение угла наклона уш и разности высот Д1 положительно сказывается

на возможности компоновки механизма вследствие уменьшения области ^ ьс > К Ьс] . Углы у^ и уй1 не оказывают практически значимого влияния на уменьшения области

^ кс > К кс ] .

5.3.2 Компоновка основного технологического оборудования при установке концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся штанги

Первоочередным проектным решением является задание длины /ж нижней

части складывающейся штанги, удовлетворяющей условию обеспечения допустимого вертикального габарита МТПКК /ж < /ж тах . Тогда горизонтальная xJ и и

вертикальная у1 координаты центра шарнира 3 при транспортном положении

концевой опоры определяются решением системы двух нелинейных уравнений: - для вариантов К и С

(- L )2 + (yJM - 1кк )2 - J = 0 ;

(XJ,ts - lab + lBc C0S Yts + lCc sln Yts )2 + (yj,ts - lBb - lBc Sln Yts + lCc C0S Yts )2 - (Lsh - lJK f = 0

(5.35)

- для варианта В

(j - lak )2 + (yj» - K )2 - J = o

(xj,ts - lab - lBD SÍn(Yts + Ytsl - YbD ) + lcD C0SYts + lCc SÍn Yts) + , (5.36)

+(yj,ts - lBb - lBD C0S(Yts + Ytsl - YBD ) - lcD SÍn Yts + lCc C0S Yts )2 - (Lsh - lJK )2 = 0

где Lsh - длина складывающейся штанги в разложенном состоянии.

На компановку МТПКК со складывающейся штангой накладываются ограничения по возможному пространственному расположению центра шарнира J в транспортном положении. Его допустимые горизонтальная xJ ts и вертикальная

yJ,ts координаты должны лежать в следующих интервалах:

- [Xj ] < Xj ts < lab; [yJ ] < yJts < [H] - К - hof, (5.37)

где [ Xj ] - максимально возможное смещение шарнира J от шарнира A в сторону кабины БС; [ y j ] - минимально возможное приближение шарнира J к надрамной конструкции.

В зависимости от пространственного расположения шарнира J установка концевой опоры из транспортного в рабочее положение может выполняться либо при выдвижении штока подъемного гидроцилиндра, либо при его возвратном движении.

На рисунках 5.16 и 5.17 показаны области возможного положения центра шарнира J, определяющие направление поворота концевой опоры в зависимости от направления смещения штока. Области, ограниченные угловыми точками 1-C-K-5 и 1- d' - D' -C-K-5, определяют такое положение центра шарнира J, при котором установка концевой опоры в рабочее положение производится при возвратном движении штока гидроцилиндра. Эти области сравнительно невелики по размерам, что усложняет компоновку механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении.

а - при хс < %а ; б - при Ха < Хс < хк; в - при хс > хк Рисунок 5.16 - Области возможного расположения шарнира / с различным направлением поворота концевой опоры в зависимости от направления смещения штока

(варианты К и С)

а - при хс < Ха ; б - при Ха < хс < хк; в - при хс > хк

Рисунок 5.17 - Области возможного расположения шарнира / с различным направлением поворота концевой опоры в зависимости от направления смещения штока (вариант В)

При транспортном положении концевой опоры центр шарнира J находится в этой зоне при одновременном выполнение трех условий: - для вариантов К и С

еСЛи lak > lab - lBc c0s yts - lCc sín yts

J,st > lab - lBc COS Yts - lCc sin Yts ;

XJ ,st < lab '

Jj ,st < I

lCc lBc sin yts - lcc cosy,

Bb

cos yts lBc c0syts + lCc sin yt

'(XJ ,st lab )

УJ, > тах <

(/Кк /Аа )XJ! /ак + (

Аа

/Кк +

[ УJ ]

/вь - /Сс / с°8 7л, - /Кк + /Вс - ^Сс СО^У

/аЬ - /ак - /Вс С°* 7лу - /Сс ^7,

-(х,л - /л); (5.38)

если /ак < /аь - /Вс С°8 7лу - /Сс ^ У

XJ, ^ > /ак ;

,,Л < /аЬ ;

УJ, < тт

/ -

/Сс /Вс ^п 7л, - С С08У

С°8 7лу /Вс С0*У Л, + ^Сс ^7/

'( XJ ,Л, /аЬ )

^ + /ВЬ - /Сс / С° 7л, - /Кк + /Вс Улу - /Сс С087лу (х

Кк

/а.Ь - /ак - /Вс ^ 7лу - /Сс ^ У

' ^к )

(5.39)

УJ ,,Л > таХ '

(/Кк /Аа ) XJ! /ак + /Аа

[ УJ ]

- для варианта В

если /ак ^ /аЬ + ^В + 7л,1 - УВВ ) - /сВ - /Сс вШ Уй

XJ,, > /аЬ + ^в ^ У у + 7м - У во ) - Кв С08У * - С л, ;

X, < /аЬ + /вв 81п(Ул, + Ум - 7вв ) + О ^(7/, + 7м );

УJ, <

/Сс (с°в 7лу - - 7лу ) - /св ^п7 /св с°8 7лу + /Сс ^7*

■[XJ, - /аЬ - /ВВ 81п(7лу + 7м - 7ВВ )] +

+/вь + /вв 7л, + 7м - 7во ) - /Сс/ ^7*;

УJ ,УЛ > таХ

(/Кк /Аа ) XJ ,,уЛ ! /ак + /Аа

Ки + :

"Кк

/ВЬ - /Кк + /ВВ С°§(7лу + 7м - 7 ВО ) + /сВ ^ У Л, - ^Сс С0в 7лу (х - / ) ; (5.40)

/аЬ - ^к + /ВВ §1п(7лу + 7м - 7ВО ) - /сВ С0в 7/, - /Сс ^ 7,

[ УJ ]

если /ак < /аЬ + /ВВ ^п(7лу + 7м - 7ВВ ) - /сВ С0^7л, - /Сс §1П7

Л, С 1

Х3, > /ак ; X, < /аЬ + /ВВ §1п(7лу + 7м - 7ВВ ) + О С0§(7л, + 7м ) :

УJ, < т1П

/Сс(с°в У Л, - С0в~ У Л,) - /св ^7 /св с°в 7л, + ^Сс вШУл,

-[XJ,УЛ - /аЬ - /ВВ 81п(7лу + Уы - 7ВВ )] +

+ /вь + /вв С°8(7лу + 7лу1 - УВВ) - /Сс / С0§7

, , /ВЬ - /Кк + /ВВ с°в(7л, + 7лу1 - 7 ВВ ) + /св вт 7лу - /Сс С°в 7лу /г ч

/Кк + , , . , • / . ч , , • (XJ ,,Л 'ак)

/аЬ /ак + /ВВ ^7лу + 7лу1 - 7ВВ ) - /сВ С087л, - /Сс ^7/,

Л5

<

лу

<

Л,

yj,st > max

(lKk — lAa ) XJ ,st ! lak + lAa

.[ yj ]

(5.41)

Соответственно, области, лежащие вне областей 1-С-К-5 или 1- &' - Б -С-К-5, определяют такое положение центра шарнира /, при котором установка концевой опоры в рабочее положение производится при выдвижении штока гидроцилиндра.

Расположение шарнира /в пределах зоны 1-С-К-5 или 1-&' - Б' -С-К-5, что обеспечивает установку концевой опоры в рабочее положение при возвратном движении штока гидроцилиндра, достигается выбором длины нижней части складывающейся штанги \ж, лежащей в интервале ¡ж е (//к,рг; ¡ж аор), причем длина ¡ж аор не превышает максимальную длину /ж,тх . Длина /ж аор определяется из условия, что

центр шарнира / должен находиться на прямой В'С (рисунок 5.16) или СБ' (рисунок 5.17). Для этого необходимо последовательно найти положение центра шарнира / в горизонтальной плоскости xJ аор, решив нелинейное уравнение:

- для вариантов К и С

\

(XJ ,dop lak ) +

Ус ,ts - lBb + lCc /cos Yt

x -1

C ,ts ab

( xj ,dop ab ' Bb

Cc

cos Ys

-l

Kk

+

+(XJ,аор -хс,й)/соэуй -Ьк = 0;

- для варианта В

¡Сс(со8 Yíi - со^-1 Yís) - ¡со sinY,

(5.42)

lcD cos Yts + lcc sinYt.

[XJ,op - L - lBD sin( Yts + Ytsl - YBD )] +

0,5

+/вь + /во соз^ + Yftl - YBD) - ¡Л + - и2) + х,аор Хс* - К* = 0 (5-43)

с03 Yts ) / cosY ts

затем - положение центра шарнира / в вертикальной плоскости уJ ёор:

для вариантов К и С

У г t - + lr / cos yt v _ sc,ts Bb Cc_Ltifr —i л A-i

yJ ,dop J (xJ ,dop lab) +

l

Cc

XC,ts lab

cos Yts

(5.44)

- для варианта В

2

2

L (cos y - cos-1 y) - Ln siny, r . .

yj,doP = Cc ( ,--Yd^a-^[_ z _ 1bd sin(y + y - ybd)] +

P cD C0s Yts + Cc smYts P

+B + ^ C0s(Yis + У*1 - YbD ) - LCc / C0SY& > (5-45)

и, наконец, допустимую длину нижней части складывающейся опоры:

I 2 2

lJK,dop = Д/(XJ,dop - lak ) + (yJ,dop - lKk ) • (5 46)

Нижняя граница lJK pr допустимого интервала lJK e (lJK pr; lJK dop) определяется из условия, что центр шарнира J должен находиться на ломаной прямой 1-5-K (рисунок 5.16), образованной пересекающимися прямыми

У = [X/ ] и У = (lKk - lAa )X / lakX + lAa • (5^47)

Горизонтальная координата точки пересечения этих прямых (точки 5 на рисунках 5.16 и 5.17) x5 определяется выражением

X5 = lak ([У/ ] - lAa ) / (K - La )• (5.48)

Так как заранее неизвестно на каком участке (1-5 или 5-K) ломаной линии 1-5-K будет находиться центр шарнира J, то для определения горизонтальной координаты xJ pr необходимо решить два нелинейных алгебраических уравнения:

>/(X/,p^—Xb)I+(LyJ]—yCU ^ V(XJ,p^-lak)i+(LyJ]-lKk)i - =0;

(xJ,pr XC,tsY + Kk, Aa XJ,pr + lAa yC,ts +1 \(XJ,pr lakY +

L

In- — l /I

V

Kk^^Aü у j_J _] , xJ, pr + lAa lKk V lak )

-Lh=0. (5-49)

V /ак

Найденное при решении первого уравнения значение xJ,рг будет справедливо при выполнении условия х1 рг > х5 и вертикальная координата центра шарнира 3 составит у J, рг = [ yJ ]. Найденное при решении второго уравнения значение xJ,рг будет справедливо при выполнении условия х1,рг < х5 и в этом случае:

УJ,, = (/Кк - /Аа ) XJ,, / /акх + /Аа . (5.50)

Длина /ж рг определяется выражением:

/К,рг = ^(^^к^^+^^р^Кк)^. (5.51)

Длина /ж рг не должна быть меньше, чем минимальная длина нижней части складывающейся штанги ¡ж , определяемая выражениями (5.24) и (5.25).

На рисунках 5.18 и 5.19 показано влияние углов установки концевой опоры длиной 10 м и расстоянием ¡Вс (\сВ) = 8 м в транспортном и рабочем положениях на размеры нижней части складывающейся штанги ¡ж тах, ¡ж т1п, ¡ж ¿ор и ¡ж рг.

Рост угла уй существенно влияет на ширину интервала допустимых длин нижней части складывающейся штанги ¡ж е (¡ж рг; ¡ж ёор) из-за увеличения размеров

зоны 1-С-К-5 или 1- &' - Б' -С-К-5. Углы уй ~ 10о характерны для МТПКК вариантов К и В, углы уй ~ 30о - для варианта С. Поэтому складывающуюся штангу можно ис пользовать при проектировании механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении для варианта С. Для вариантов К и В это требует большой осторожности в связи с жестким требованием к допустимой длине нижней части ¡ж при достаточно большой общей длине штанги ~ 6.12 м.

а - при уй = 10о; б - при уй = 30о

1 - lJK,max ; 2 - lJK,min ; 3 - lJK,dop; 4 - lJK,pr Рисунок 5.18 - Влияние углов установки концевой опоры в транспортном и рабочем положениях на размеры нижней части складывающейся штанги (варианты К и С)

а - при у^ = 9о; б - при у^ = 30о

1 - ¡Ж ,тах ; 2 - ¡Ж ,тт ; 3 - ¡Ж4ор ; 4 - ¡Ж,рг Рисунок 5.19 - Влияние углов установки концевой опоры в транспортном и рабочем положениях на размеры нижней части складывающейся штанги (вариант В)

Для МТПКК варианта В имеется ограничение на угол наклона концевой опоры в рабочем положении уш, который максимально может быть реализован при

проектировании ОТО (рисунок 5.19). Ограничение проявляется, когда характеризующий его максимальный конструктивно возможный угол [ywJ превышает ~15о. Это связано с тем, что при больших углах уш используется штанга большей длины,

поэтому шарнир J нельзя разместить в допустимой области 1- d' - D' -C-K-5 (рисунок 5.17) из-за достаточно большой длины нижней части ¡ж штанги. При компоновке ОТО на базовом шасси при углах уш > [ywJ центр шарнира J оказывается

ниже ломаной прямой 1-5-K, т.е. не соблюдается условие (5.19).

В транспортном положении расстояние между центрами цилиндрических шарниров присоединения гидроцилиндра механизма установки и фиксации концевой опоры (¡AJ )s составляет

(¡AJ )ts =л/J + (Jj- ¡Aa )2 . (5.52)

Когда центр шарнира J лежит в области 1-2-3-C-6, длина (¡AJ )ts определяет максимальное расстояние Q j )max между шарнирами A и C, в противном случае - минимальное расстояние (¡AJ )min между этими шарнирами.

В рабочем положении расстояние между центрами цилиндрических шарниров присоединения подъемного гидроцилиндра составляет

(¡AJ L = ^ + IjK COS у sh )2 + (lKk ¡Aa + ¡JK

sinysh)2, (5.53)

где ysh - угол наклона штанги в рабочем состоянии, определяемый выражением: для вариантов К и С

Г/Bb - K + ¡Bc COS Yws + ¡Cc SinYws

Y sh = arctg для варианта В

Lb - hk + ¡Bc Sin Yws - ¡Cc C0SYw

(5.54)

Y sh = arctg

¡Bb - ¡Kk + ¡BD sin Y BD + ¡cD COSY ws + ¡Cc sinY V ¡ab - ¡ak + ¡BD COS YBD + Kd Sin Yws - ¡Cc C0S Yw

(5.55)

Когда центр шарнира 3 лежит в области 1-2-3-С-6, длина (IАи )определяет

минимальное расстояние (Iи )тд между шарнирами А и С, в противном случае -

максимальное расстояние (Iи )тах между этими шарнирами.

Очевидно, работоспособность механизма со складывающейся штангой будет обеспечиваться, если в рабочем положении концевой опоры между углами наклона оси подъемного гидроцилиндра укс и продольной оси 3К складывающейся

штанги соблюдается соотношение:

УНс > У** ■ (5-56)

Минимальное расстояние (Iи )тп определяет предельно допустимую длину подъемного гидроцилиндра ЬНс тах по условию компоновки в транспортном положении концевой опоры:

^Нс,тах ~ (Аи )тт , (5-57)

а необходимая величина хода его штока при переводе концевой опоры из транспортного положения в рабочее положение составляет:

' (5.58)

На рисунке 5.20 приведены результаты расчета относительной величины хода штока гидроцилиндра Ь = ЛАс / (¡^ )тМ в зависимости от угла уш и размера 1Вс (¡сП) при длине нижней части складывающейся штанги ¡ж тах .

Нс = (¡Аи ) тах - (¡и ) тт = {(¡Аи ) (Аи X -

а - варианты К и С; б - вариант В

1 - ¡Вс (сБ ) = 9 м; 2 - ¡Вс ^сБ ) = 6 м; 3 - ¡Вс ^сБ ) = 4 м Рисунок 5.20 - Относительный ход штока гидроцилиндра при установке концевой опоры

в рабочее положение

Сравнивая эти результаты с аналогичными данными варианта установки концевой опоры непосредственно с помощью подъемного гидроцилиндра, можно видеть, что необходимая величина хода штока оказывается существенно меньше. Это позволяет выбирать длину гидроцилиндра Ькс не по условию (5.57), а меньшую:

К = {¡„)/(1 + КАс]) < Ьстах . (5.59)

Минимально возможную длину гидроцилиндра можно получить, если принять [^йс] = ^йстах~0,9. В частности, для рассматриваемого на рисунке 5.20 случая

это позволяет использовать гидроцилиндры, длина которых будет в ~1,7 раза меньше, чем определенная на основании соотношения (5.57).

5.3.3 Компоновка основного технологического оборудования при двухэтапной установке концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся

штанги, вспомогательного и основного подъемных гидроцилиндров

Для МТПКК вариантов К и В целесообразность двухэтапной установки концевой опоры в рабочее положение с помощью складывающейся штанги обусловлена результатами анализа влияния угла наклона концевой опоры в транспортном положении уй на размеры областей 1-С-К-5 и 1- d' - Б -С-К-5 требуемого расположения центра шарнира 3 (рисунки 5.16 и 5.17) и ширину допустимого интервала ¡ж е (¡ж рг; ¡ж <аор) длины нижней части складывающейся штанги ¡ж .

Представленные на рисунках 5.18 и 5.19 данные показывают, что при увеличении угла уй ширина допустимого интервала ¡ж заметно увеличивается, что упрощает

выбор рациональной длины ¡ж. Также снижается усилие, развиваемое подъемным гидроцилиндром в начальный момент подъема. Однако угол уй, лимитируемый максимально возможным вертикальным габаритом МТПКК [18], для вариантов К и В не превышает ~ 10...15° (подраздел 5.1). Это усложняет проектирование складывающейся штанги вплоть до невозможности ее конструктивной реализации, исходя из требуемых значений геометрических или силовых характеристик.

Недостаток преодолевается при подъеме концевой опоры в два этапа:

- I этап (вспомогательный подъем) - подъем концевой опоры производится вспомогательным гидроцилиндром из транспортного положения, определяемого углом уй, до промежуточного положения, определяемого углом у ~(2 .. .3) у^;

- II этап (основной подъем) - подъем концевой опоры производится с помощью складывающейся штанги основным гидроцилиндром из промежуточного положения до рабочего положения, характеризующегося углом у№ = п / 2 + ут.

Использование складывающейся штанги производится в интервале углов наклона концевой опоры у( £ [у ;у„,], что позволяет выполнить проектирование

штанги для более благоприятных условий: большей по размеру допустимой области 1-С-К-5 или 1- &' - Б' -С-К-5 требуемого расположения центра шарнира 3 (рисунки 5.16 и 5.17) и большего допустимого интервала ¡ж £ (¡ж г;/ж йор) длины нижней части штанги ¡ж.

На рисунке 5.21 приведены расчетные схемы механизма установки и фиксации концевой опоры с помощью складывающейся штанги вспомогательным и основным гидроцилиндрами для МТПКК вариантов К и В.

Вспомогательный гидроцилиндр обеспечивает поворот концевой опоры на сравнительно небольшой угол Лу = ура - уи ~(\...2)уи, поэтому его длина ЬНс и

ход Лйс существенно меньше, чем для основного подъемного гидроцилиндра (рисунки 5.11 и 5.13). Вспомогательный гидроцилиндр размещается в пространстве под концевой опорой в транспортном положении и его пространственной ориентации придается оптимальное положение: продольная ось гидроцилиндра перпендикулярна продольной оси концевой опоры. Согласно результатам силового анализа установки концевой опоры в рабочее положение (подраздел 6.1), наи большее усилие подъемный гидроцилиндр преодолевает в начальный момент подъема и именно оно определяет внутренний диаметр и мощность гидроцилиндра. Условие перпендикулярности осей обеспечивает максимальное плечо Н*с р действия усилия

вспомогательного гидроцилиндра ЯНс р и, как следствие, минимально возможные значения внутреннего диаметра БНс р и мощности ЫНс р вспомогательного гидроцилиндра. Минимальный размер ¡Вт т1п или ¡Бт т1п (рисунок 5.21) положения шар-

нира М зависит от заданных при проектировании угла наклона опоры в промежуточном положении у и коэффициента выдвижения штока вспомогательного гидроцилиндра кс,^ ].

зона допустимого расположения зона допустимого расположения

вспомогательного гидроцилиндра вспомогательного гидроцшшндра

а) б)

а - вариант К; б - вариант В

1 - основной подъемный гидроцилиндр; 2 - вспомогательный гидроцилиндр

Рисунок 5.21 - Конфигурация механизма установки и фиксации концевой опоры

с помощью складывающейся штанги вспомогательным и основным гидроцилиндрами

в транспортном и промежуточном положениях

Он определяется решением нелинейного алгебраического выражения: - вариант К

' - . -|2 lBm,min (1 — C0S Yts C0s У ps ) — 0, 5lMm Sin ts + (lBb ~ lLl )SinYts I +

2 1 0'5

+ (lBb + lBm,m1nSinYps — lMm c0syps — L ) с08' yts } — — (lBb + lBm,min Sin Yts — lLl — lMm c0s yts ) (1 + Кhc,p ]) = 0 ;

(5.60)

вариант В

({[lBb + lBD C0S(Yts + Ytsl — Y BD ) + lBm,min SinYts ] — lLl } C0S_1 Yts — lMm) (1 + №hc,p ])

+

— [ + lBD C0s(Yps + Ytsl — YBD ) + lBm,min SinYps — lLl — lMm C0SYps ] + {lBD [Sin(Y^^ + Ytsl — YBD ) — Sin(Yts + Ytsl — YBD )] + lBm„min (C0SYts — C0SYps ) +

2\ 0,5

+ \_/ВЬ + /ВВ с08(у^ + 7*1 - УВВ) + ^тдлш ^7* - /Ы1 ] Шк - М У рм } / = 0 • С5"61)

Для варианта В особенностью компоновки вспомогательного гидроцилиндра является наличие дополнительного ограничения на минимальный размер /Вт т1п

Размер 1а1, определяющий расположение шарнира Ь, не может превышать размер 1а1 из-за невозможности его закрепления. С учетом данного ограничения

^т,тт = /ВВ * + 7*1 - 7 ВВ )с^7* - [1вЬ - /и + /вв + - у ВВ )]8Ш у * • (5-62)

Максимальный размер /а1 тах и минимальная длина вспомогательного гидроцилиндра Ыйе,р тп при минимальном размере /Втт^ (или /Втт1п) составляют:

- вариант К

1а1 ,тах = /аЬ - /Вт,т1п СО8 7* - (1ВЬ - 1Ы1 + /Вт,т1п ^ У г, ) Ш м ;

Т ^ 1ВЬ + /Вт,тт 7* - /Ы/ / . (с оч

Ыйс,р,тт ~ ^^т ; (5.63)

СОБ

- вариант В

/аЬ + /ВВ ^п(7* + 7*1 - 7 вв ) /Вт,тт

- [/ВЬ - Ы + /ВВ с^(7* + 7*1 - 7ВВ ) + ^тдтп Ум М* ;

^а/ ,тах = тп

^аЬ

г /ВЬ + /ВВ СОв(7* + 7*1 - 7ВВ ) + /Вт,т,п - 1и

Ыйс,р,тш ~ ^Мт • (5"64)

СОБ у*

Области допустимых размеров /Вт и /Вт соответствуют условиям:

1Вт е [/Вт,тш ; /Вт,тах ] или /Вт е [/Вт,тш;/Вт,тах] , (5.65)

где /Вттах, /Вт,тах - задаваемые при проектировании максимально допустимые значения размеров /Вт и /Вт.

При проектировании также может быть задан размер ± [/а/ ], который определяет максимальное отклонение расположения шарнира Ь (знак «+» - шарнир Ь расположен между шарнирами А и В, знак «-» - в противном случае). Тогда максимально допустимые значения размеров /Вт и /Вт составляют:

/Вт,тах = (/аЬ - [/а/ ])СО8 7* - /ВЬ ^7* + 0, 5/Ы/ ^ 227* ; (566)

lDm,max = {lab + lBD Sin(Yfc + Ytsl - Y BD ) - [lal ]}COS Ys - [lBb + lBD COS(Yts + Y*1 - Y BD )]SinYts + 0,5lLl Sin 2Yts '

Альтернативным подход при проектировании может являться подход на основе задания размера lBm или lDm. Тогда определяется максимальный угол предварительного наклона Y^max, до которого вспомогательный гидроцилиндр может

поднять концевую опору при заданном значении коэффициента выдвижения штока Кйс р ], путем решения нелинейного алгебраического выражения:

- вариант К

{ [lBm (1-C0S Ys COSYps,max ) - 0,5lMm SÍn2Yts + (lBb - lLl) SÍn Yts ] +

2 1 0'5

+ (lBb + lBm Sin Yps,max - lMm COS Yps,max - lLl ) COS' Y* ] -

-(lBb + lBm Sin Ys - lLl - lMm COS Yft ) (1 + Кhc,p]) = 0 ¿ С5-67)

- вариант В

{{[lBb + lBD C0S( Ys + Ytsl - Y BD ) + lBm SÍnYte ]-lLl ]COS ^ Yts - lMm) (1 + fé hc,p ]) -

+ lBD C0S(Y ps,max + Ytsl - Y BD ) + lBm SÍnY ps ,max - lLl - lMm COSY ps,max ] +

+ {lBD [sin(Y №max + Ytsl - Y BD ) - SÍn(Yts + Y sl - Y BD )] + lBm (cOS Yte - COS Y ps,max ) +

2 y 0,5

+ [lBb + lBD c0s(yts + Ytsl - YbD ) + lBm sínyte - L s - lMm sínyps,max ] ) = 0 - (5 68)

Длина вспомогательного гидроцилиндра Lhc p при заданном размере lBm (или lDm) определяется зависимостями (5.63) и (5.64) с учетом замены lBmmin (или lDmmin) на lBm (или lDm). На рисунках 5.22 и 5.23 показаны графики изменения длины вспомогательного гидроцилиндра Lhc p, максимального угла предварительного наклона концевой опоры ^ ^ и расстояния laí до места крепления шарнира L

в зависимости от заданного размера lBm (lDm).

Штриховые линии на рисунке 5.23 ограничивают область недопустимых размеров lDm согласно конструктивному ограничению (5.62).

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

> /

3^ 1 ^2 Ч

А /V а)

50

~40

30

20

10

1 \ \

\ \ 1 \ » \ \

З-4 ч N ---

2/

б)

а о

и 1 ^

1,4

3,6- '2,5

б)

Размер /

Вт

5 6 7 м

Размер /

Вт '

М

Размер /

Дш >

м

а - длина вспомогательного гидроцилиндра; б - максимальный угол предварительного наклона

концевой опоры; в - расстояние до шарнира Ь

1 - ¡и = 0,2 м, I

Мт

0,2 м; 2 - ¡и = 0 м, ¡Мт

4 - ¡и = 0,2 м, ¡Мт = 0 м; 5 - ¡Т1 = 0 м, I

Мт

и

''Мт

0,2 м; 3 - ¡и = -О,2 м, ¡Мт = 0 м; 6 - ¡г / = -0,2 м, ¡л

0,2 м;

Ы = м, ¡Мт = 0 м

Рисунок 5.22 - Влияние размера ¡вт на параметры установки вспомогательного гидроцилиндра для МТПКК варианта К

2,0

О

1,5

9 1,0

1=1

0,5

>

3\ < 1 1 1 1 м ! 4 /5 'Ж*

а)

2 3 А 5 6 7

90

" 70

50

30

10

/1 (г

I/3 \Л Л

\ \ X V6 V ч Ч ч /5 * /

б)

3

\

-1,4

/2,5

в) 3,6-

Размер /1

От

м

Размер /

Ит )

Размер !1

7

Шг >

а - длина вспомогательного гидроцилиндра; б - максимальный угол предварительного наклона

концевой опоры; в - расстояние до шарнира Ь

1 - ¡и = 0,2 м, ¡Ыт = 0,2 м; 2 - ¡и = 0 м, ¡

¡Мт

И

¡Мт

4 - ¡и = 0,2 м, I

Мт

0 м; 5 - ¡Ы = 0 м ¡Мт

0,2 м; 3 - ¡и = -0,2 м, ¡Мт = 0,2 м; = 0 м; 6 - ¡и = -0,2 м, ¡Мт = 0 м

Рисунок 5.23 - Влияние размера ¡Вт на параметры установки вспомогательного

гидроцилиндра для МТПКК варианта В

С увеличением размера ¡Вт (¡Вт) длина вспомогательного гидроцилиндра

Ыкс р увеличивается, однако обеспечиваемый им максимально возможный угол

предварительного наклона у ах уменьшается.

219

5.4 Выводы по разделу 5

1. Предварительная компоновка ОТО МТПКК вносит важный вклад в формирование функциональных возможностей МТПКК и МКД в целом, так как она определяет возможности автономного движения МТПКК к месту развертывания по автомобильным дорогам общего назначения, а также определяет возможную длину концевой опоры и, как следствие, определяет ГПХ однопролетной МКД.

2. Предварительная компоновка ОТО МТПКК должна решаться как оптимизационная задача, в которой критерием оптимальности выступает нахождение максимальной длины концевой опоры, исходя из габаритных размеров базового шасси и нормативных ограничендействующих при организации автомобильных дорожных перевозок, перевозок авиационными и морскими средствами доставки крупногабаритного тяжелого оборудования. Для МТПКК вариантов К и С диапазоны углов допустимого наклона концевой опоры в транспортном положении, обеспечивающие возможность использования опоры максимальной длины, составляют соответственно не более 5о и 18.. .25°. Для МТПКК варианта В выявлено оптимальное сочетание углов наклона и отклонения концевой опоры в транспортном положении, обеспечивающее минимальный вертикальный габарит установленного ОТО. На базовых шасси российского производства с числом осей от 3 до 6 возможно размещение концевых опор длиной от 6 до 18 м (без телескопирования).

3. Итоговая компоновка ОТО МТПКК, включая размещение и сопряжение основных структурных элементов механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении (самой концевой опоры, подъемного гидроцилиндра, гидравлического тормозного устройства для предохранения концевой опоры от самоопрокидывания, лебедки и элементов крепления удерживающего каната и др.), окончательно определяет конструктивное исполнение МТПКК и является основой для проектирования механизмов и узлов ОТО, анализа напряженно-деформированного состояния несущих металлоконструкций, выполнения моделирования рабочих процессов при эксплуатации МТПКК, формирования стратегии планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания.

4. Для МТПКК с установкой концевой опоры в рабочее положение с помощью подъемного гидроцилиндра установлено наличие зон, в которых недопустимо присоединение штока подъемного гидроцилиндра к металлоконструкции концевой опоры в связи с невозможностью обеспечить полный поворот концевой опоры из транспортного положения в требуемое рабочее положение. Протяженность этих зон может достигать до 70.90 % длины концевой опоры. Зоны допустимого присоединения штока подъемного гидроцилиндра к металлоконструкции концевой опоры для МТПКК вариантов К и С примыкают к шарниру крепления концевой опоры на несущей раме базового шасси и имеют относительно небольшую протяженность (оставшиеся 10.30 % длины концевой опоры), для МТПКК варианта В протяженность указанных зон оказываются еще заметно меньше вследствие 2-образной конструкции поворотной платформы (5.20 % длины концевой опоры). Это ограничивает возможности компоновки механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении и требует использование подъемного гидроцилиндра повышенной мощности и типоразмера вследствие необходимости в начальный период подъема концевой опоры преодоления значительных усилий, создаваемых весом концевой опоры и канатного шкива.

5. На компоновку ОТО МТПКК, использующих складывающуюся штангу для установки концевой опоры в рабочее положение, накладываются весьма жесткие требования на диапазоны допустимых размеров и соотношения размеров нижней и верхней частей штанги по отношению к ее достаточно большой длине, достигающей 6.12 м. Эти требования в наименьшей степени оказывают влияние на проектирование механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении для МТПКК варианта С.

6. Требуемая длина подъемного гидроцилиндра, являющегося ключевым элементом при компоновке механизма установки и фиксации концевой опоры в рабочем положении, в значительной степени определяется вариантом конструктивного исполнения МТПКК. При установке концевой опоры непосредственно подъемным гидроцилиндром для МТПКК вариантов К и С его длина составляет 1.2,5